最大程度地扩大软件定义无线电的动态范围

大致来说，软件定义无线电(SDR)是指信号链的一部分是软件的任何无线电。具体来说，它会具有以下部分或全部特性：宽带、多频段、多模式、多数据速率、软件可重新配置，并且其数字转换(接收或传输)会尽可能靠近天线。请注意，该描述也适用于现代信号(频谱)分析仪等RF仪器仪表。

一般认为是德克萨斯州加兰的E-Systems(现Raytheon)公司在1984年构建了第一台软件定义的基带接收器，而第一台软件定义的基带收发器可能是WSC-3(v)9，由E Systems加利福尼亚州佛罗里达圣彼得堡分部在1987年为Patrick AFB设计的。1989年，Haseltine和Motorola c.又为Rome AFB开发出了更新的无线电产品Speakeasy。现代的示例包括卫星和地面无线电、军事联合战术无线电系统(JTRS)以及几乎任何蜂窝或陆地移动无线电终端或基站。

从理论上来说，要使数字转换和信号处理正常工作，我们应该具有线性时不变系统，但实践告诉我们，将一系列模拟器件连在一起后就没有这么理想了。不过，通过精心挑选元件和分布增益，您可以在保持灵敏度的同时最大程度地扩大SDR的动态范围。而且，无论SDR是通信接收器基站还是信号分析仪，都适用相同的规则。

在一些标准通信系统(例如，蜂窝系统)中，SDR在受控环境中工作，也就是说，标准阐明了针对接收器和发射器的要求，而载波则为标准增加了裕量。在其他一些系统(如军事、业余和陆地移动无线电)中，环境不受控制，也就是说，最近的发射极可能就在隔壁，最远的可能刚好在视距的耳语范围内。

因此，在开始设计之前，您需要先制定一份检查清单：

 • 标准有哪些要求？
 • 所需的最小和最大信号电平是多少？
 • 需要多少滤波？
 • 哪些图像滤波器、通道滤波器和抗混叠滤波器可用？
 • 滤波器中的群延迟是否会产生问题？
 • 您使用的是什么架构？零中频、单通道、双通道或三通道转换
 • 您目前如何生成正交信号？
 • 在模拟还是数字(IF采样)域中？

选择ADC本身就值得讨论。ADC的动态范围可确定系统架构(反之亦然)。首先，我们要查看信号带宽和采样频率(准确的采用频率通常由时钟和/或帧速率等数字信号处理要求确定)。为了获得ADC的满量程SNR，尤其是对高输入频率采样时，能否生成足够良好的时钟，从而在不降低ADC的指定SNR的情况下以所需的频率采样？要使系统成为线性时不变系统，ADC必须提供足以支持所需信号、干扰信号以及增加的裕量的动态范围，以支持信号衰落和AGC响应时间。

那么，多大的动态范围才够呢？性能最高的软件定义无线电(和RF实验室仪器)通常采用14至16位高速ADC，从而以尽可能高的频率对带宽高达250 MHz的信号采样。为了按照标准(如802.11等字母数字组合)测试频带最宽的信号，行业偏向于使用14b AD9680等双通道高速ADC在I和Q带宽等于或高于500 MHz的基带中对I和Q信号进行正交采样。一些应用程序需要更小的动态范围，因此通常使用12b的GSPS ADC(如AD9625)来"抓取"带宽为500 MHz的频谱块，并使用集成数字下变频器来调低其基带频率。

ADC的动态范围是模拟和数字滤波之间的基本权衡。更多的模拟滤波会缩小干扰信号的幅度以及ADC的所需范围，这就必须对所需的信号和干扰信号进行数字转换以保持线性系统。但是，模拟滤波并不是理想的方式，它可能会出现群延迟和相位。在系统级别，模拟域的大量滤波操作也意味着可能要进行大量费用高昂的机械屏蔽工作以保持滤波器隔离，并且可能需要在多个IF级联多个滤波器以最大程度地减少滤波器周围漏电的情况。相反，数字滤波器具有出色的形状因子，没有漏电，其特性近乎理想，但需要提高ADC的动态范围以支持信号和干扰信号。

孰优孰劣似乎显而易见，但您必须将接收器设计为可在所有工作条件下保持对ADC的线性输入。例如，这需要您将AGC的响应时间结合到ADC的裕量中，也就是说，允许特定数量的dB作为裕量以考虑AGC反应期间的输入信号变化，这样接收器不会因信号电平变化而出现过载。

此外，在UHF和微波信号中，您可能还希望针对信号衰落增加额外裕量，不管这种信号衰落是由于频率较低还是信号被大楼或植物阻挡等环境条件而导致的。除此之外，您还需要考虑解调C/N比、邻道和相间通道干扰信号以及全双工系统中可能出现的PA馈通效应的裕量。

另外需要记住的是，窄带接收器的AGC范围比宽带接收器更宽。基本上，宽带接收器会将大片频谱小幅度地上移或下移 – 通常小于10 dB – 以使其保持在ADC的线性"窗口"中间。这与对整个蜂窝频段进行数字转换时